讓物聯網實現互連，蜂窩網絡和LPWAN互聯的競爭

對于IoT網絡設計者來說，實現互連是最令人沮喪方面之一，在傳感器互相通信的周圍存在很多競爭性的標準，它們大部分都是不兼容的。從邊緣到互聯網和云服務主要有兩種方式：無線運行商和低功耗廣域網絡（LPWANs），無疑它們存在著激烈的競爭。LPWAN提供商使用的標準不止一個，有一些還是專屬標準，而蜂窩網絡的發(fā)展路線則是集中簡單化并且提高當前以長期演進（LTE）標準為核心的產品的競爭力。因此雖然在這個長期的市場中只有兩個基本的競爭對手，但是對于每個競爭隊友有應該有基本的了解，包括它們各自的優(yōu)勢、劣勢以及各種具體應用的適用性等。

為什么如此關注互連性？

為什么所有的關注都集中在連接性上？這取決于價錢：無線運營商和LPWAN提供商會對每一個連接的設備收取一定的費用，而且物聯網終端設備的數量正在迅速的增加。對于全球無線運營商來說經歷了超過30年的時間才達到目前23億的用戶，但是在物聯網興起的最近幾年，已經有超過84的IoT終端設備實現了連接，到2020年這個數字至少會達到200億。盡管并不是所有的IoT設備都會接入互聯網，但是“僅僅”其中的100億就會為服務提供商創(chuàng)造巨大的年收入。不用說這是一個巨大的機遇，然而不同的IoT應用之間存在著非常廣泛的差異，目前基于蜂窩網絡和LPWAN的解決方案是不同的，因此沒有哪一個標準能夠滿足所有的應用需求。

為了說明這些差異，如下圖（圖1）所示的智能電表，一個城市中有10萬個家庭、商業(yè)和其他用水部分都要使用這種電表并接入到互聯網，這與在一個工廠中向250臺機器發(fā)送數據有著很大的不同，在一個巨大的農場內許多類型的傳感器分布在數英里范圍內的土地上，而不是某個建筑，自動駕駛汽車的出現必然會創(chuàng)造出獨特的物聯網發(fā)展環(huán)境，這個環(huán)境會非常復雜，需要車輛與固定的基礎設施之間建立連接。

圖1：在美國已經有接近7千萬的智能電表，每個都會通過LPWAN進行周期性的更新，當然不久也會使用蜂窩網絡

然而無論是無線運營商還是LPWAN提供商提供的何種應用、服務都有一個共同的目標就是能夠在主機設備上安裝微型傳感器，比如閥門、電機和泵等，采用紐扣電池來供電并且在數年內能夠周期性的與外部設備進行通信，盡管這兩種類型的服務提供商采用不同的方式來攻擊這個問題，但是它們都使用各種技術來搭建物聯網環(huán)境，舉個例子，它們限制了數據傳輸的大小和間隔周期，以及傳感器必須進行通信的次數，而且它們也會采用非常低的數據傳輸速率，這樣就只需要非常窄的帶寬。

此外無線傳感器發(fā)送的低功率信號非常的微弱，檢測它們的基站接收器必須非常的敏感，基站本身也會使用一些技術，比如MIMO（多輸入多輸出技術），如圖2所示，某些情況下也需要使用高度定向天線來確保持續(xù)的連接性。

圖2：雖然多路徑傳播是非常不受歡迎的，但是MIMO技術卻采用它

通過在傳輸路徑兩端使用多個發(fā)送和接收天線，從而可以大大提高網絡容量，同時也會降低誤碼率并且優(yōu)化吞吐量。

最后很多小型基站（或者成為小單元）將需要縮短信號傳輸的距離，這樣會降低延遲，幾乎可以達到IoT應用瞬時響應的水平。

蜂窩網絡和LPWANs比較

蜂窩網絡對物聯網應用有著獨特的優(yōu)勢，在美國電信運營商已經擁有了幾乎無處不在的LTE網絡覆蓋，數十萬個大型基站和三倍數量的小型基站單元長期提供服務。在大多數情況下，更新這種基礎設施來適應物聯網設備的通信需求只需要進行軟件升級就可以了，而不是像RF和微波收發(fā)器那樣需要大量的硬件投資。此外，盡管之前IoT被廣泛認為是下一個重大事件，其實無線運營商已經使用以前的第二代技術（2G）為無線傳感器提供通信連接。

該行業(yè)多年來也一直在努力適應物聯網。第三代合作項目（3GPP）負責管理開發(fā)和發(fā)布無線標準，其中包括了在最新標準中為IoT提供的大量規(guī)范，該標準在2016年6月最后定稿。在第五代細胞的第一個標準將于2019年發(fā)布的時候，這些功能將繼續(xù)增強。到那時，無線運營商將在物聯網連接方面打下堅實的基礎。

相比之下，LPWAN提供商則沒有這樣的優(yōu)勢。它們是無線通信領域新興的一股力量，所以必須從頭開始構建每個覆蓋范圍和每一個系統(tǒng)。而且留給它們在關鍵地區(qū)（典型的城市）部署這些網絡的時間也是非常有限的，因為蜂窩網絡行業(yè)正在迅速推出以IoT為中心的數據計劃。幸運的是，與蜂窩網絡相比，LPWAN系統(tǒng)的構建和部署成本更低，并不總是需要擴展空間，而且使用更少的基站就可以覆蓋更廣闊地理區(qū)域。

現在的問題是，LPWAN供應商能否在由蜂窩網絡所主宰的環(huán)境中搏得生存機會。大多數分析人士相信這是沒問題的，因為他們提供類似于蜂窩網絡的一些功能，比如電信級安全和其他強制性的功能特性，對于客戶來說成本會更具有競爭性。分析師還建議說至少一半的IoT案例將會使用LPWAN服務。因此，這是一個相對安全的押注，盡管蜂窩網絡在提供IoT連接方面占據著主導地位，但是對于LPWAN提供商仍有一席之地，在某些單一的市場可能會掀起價格戰(zhàn)。

蜂窩網絡物聯網

如前面所述，蜂窩網絡正在基于LTE開發(fā)面向IoT互連的解決方案，這個行業(yè)的總體發(fā)展路線就是在現有的LTE版本上進行開發(fā)并且繼續(xù)完善，包括降低復雜性和成本，隨著這個過程的展開，蜂窩網絡技術將會變得更適合廣泛的物聯網應用，最終會促進第五代蜂窩網絡技術5G的推出。

業(yè)界的共識主要是集中在三種不同標準的使用，在最新發(fā)布的標準Release 13中都有介紹，這些規(guī)范最終也會集成到5G標準中。理想情況下這些解決方案都應該在頻率低于1GHz的情況下來實現，因為在這種條件下有利于遠程傳輸和建筑物的滲透：

LTE-M：也被稱為增強型機器通信（eMTC），從Release 12標準發(fā)展而來，并且在Release 13標準中做了進一步改進。

NB-IoT：Release 13標準中涉及到的LTE窄頻帶版本。

EC-GSM-IoT：面向IoT的擴展覆蓋GSM是全球移動通信系統(tǒng)的擴展版本，在Release 13中對IoT應用進行了優(yōu)化，可以與GSM運營商一起實現部署。

5G：將會在2020年完成標準化，會在NB-IoT和EC-GSM-IoT基礎上增強。

一個大膽的推測是因為物聯網應用的要求與傳統(tǒng)蜂窩網絡操作存在著明顯的不同，使用節(jié)能模式未來的發(fā)展應該會積極影響電池壽命，降低復雜度和設備成本，通過共享的運營設施來降低部署成本，采用更高級的編碼技術并增加信號密度可以實現更大范圍的網絡覆蓋。

表1展示了蜂窩網絡技術的發(fā)展，比如說面向傳統(tǒng)蜂窩網絡應用在Release 8中提供了高達150Mb/s的峰值下行速率，然而數據速率在窄頻帶急劇下降到150Kb/s來適應物聯網應用要求，用戶設備的通道帶寬也是如此，在Release 8標準中其從最大的18MHz下降到180KHz。另一個重要的因素是調制解調的復雜性，隨著不斷的發(fā)展其大概降低了85%。簡而言之，為了滿足物聯網應用的需求，蜂窩網絡技術的發(fā)展在很多方面都與傳統(tǒng)語音和數據服務要在5G中實現的標準正好相反，也就是說，與其提高數據速率，還不如整體上降低蜂窩物聯網網絡和組件的復雜度。

LPWAN標準的一些選擇

LPWAN提供商使用開源的標準比如LoRaWAN，由LoRaWAN聯盟來管理，或者采用專屬的解決方案比如Sigfox，它們都是在為授權的頻帶范圍內運行，雖然Sigfox聲稱它是全球領先的物聯網互連服務，已經在32個國家（大部分在歐洲）中使用，但是LoRaWAN已經獲得了行業(yè)最廣泛的認可，其聯盟成員超過400，這意味著LoRa基帶和RF硬件成本會繼續(xù)降低，目前已經降低了一半以上，隨著規(guī)模的擴展成本將會進一步下降。

LoRaWAN

能夠區(qū)分LoRa、LoRaWAN和LinkLabs提供的產品是非常重要的，因為這確實有點讓人困惑。LoRa是LoRaWAN聯盟管理的開放標準的物理層，而LoRaWAN則是提供網絡功能媒體訪問控制（MAC）層，LinkLabs是LoRaWAN聯盟的一個成員，它采用SematechLoRa芯片組，并提供了Symphony Link的解決方法，該方案有一些專屬特性，比如在沒有網絡服務器條件下操作的能力，Symphony Link使用八通道基站，操作頻率在433MHz或915MHz的工業(yè)、科學和醫(yī)療（ISM）波段內以及歐洲采用的868MHZ頻帶。它傳輸的距離至少是10英里，借助云服務器采用WiFi、蜂窩網絡或者以太網來傳輸數據，從而實現路由消息處理、供應和網絡管理等功能。

Sigfox

Sigfox標準是一家法國同名公司設計的，它與LoRaWAN主要的區(qū)別之一是Sigfox擁有從外圍或服務器和終端的所有技術，它實際上是整個生態(tài)網絡的供應商，某些情況下它也是網絡運營商，然而這家公司允許它的終端技術可以被任何同意其條款的組織免費使用，這樣它已經能夠與主要的物聯網設備供應商，甚至一些無線運營商建立聯系，與LoRaWAN一樣，Sigfox也在繼續(xù)不斷的擴大市場份額，特別是在歐洲，其支持的傳輸距離完全符合歐盟制定的準則，為了滿足聯邦通信委員會（FCC）的規(guī)定，美國使用的版本則有很大的不同，Sigfox唯一的缺點就是它的專有特性。

Weightless

在IoT互連解決方案中Weightless是比較獨特的一種，它是一個真正的開放標準，目前由Weightless特別權益組織來管理，它的名字來自于它的“輕量級”協(xié)議，通常每次傳輸只傳輸幾個字節(jié)的數據，這對于那些通信只需要傳輸很少數據的物聯網設備是很好的選擇，比如某些類型的工業(yè)和醫(yī)療設備、智能電表和水表。與許多其他標準不同的是Weightless運行在所謂的TV空閑頻帶，低于1GHz，當它們從模擬到數字傳輸轉換時，無線廣播公司會將這頻帶空出，由于頻率低于1GHz，因為它們具有較大的覆蓋范圍，從基站發(fā)射的功率也較低，穿透建筑物和其他對于RF信號有挑戰(zhàn)的結構的能力也比較強。

目前Weightless有兩個版本：

Weightless-N是超窄頻帶，單通通信技術

Weightless-P是該公司推出的旗艦雙向通信技術，具有電信級的性能和安全，并且采用極低的功耗。

Nwave

Nwave是一種基于SDR（軟件定義無線電）的超窄頻帶技術，能夠在授權和未授權的頻帶范圍內運行，基站能夠容納100萬臺物聯網設備，覆蓋10KM的范圍，RF信號輸出功率在100mW左右，數據速率可達100bps，這家公司聲稱采用電池驅動的設備可以持續(xù)運行長達10年之久，當在1GHz頻率下運行時，Nwave能夠利用該區(qū)域理想的傳輸特性。

Ingenu

Ingenu（之前稱為On-Ramp Wireless）基于多年的研究已經開發(fā)出雙向的解決方案，實現了專有的直接序列擴頻調制技術，稱為RPMA（隨機相位多址接入），RPMA的設計目的是在2.4GHz頻段內提供高容量、安全且范圍廣泛的互連方案。

在美國單個RPMA接入點能夠覆蓋176平方米的區(qū)域，這比Sigfox和LoRa標準都要大得多，它具有最小的開銷、低延遲和廣播功能，能夠同時向大量設備發(fā)送命令，硬件、軟件和其他功能僅限于該公司所提供的，這家公司要搭建自己的公共和私有網絡，專用于機器對機器之間的通信。

總結

由于只有蜂窩網絡和LPWAN提供商正在爭奪長期市場的霸主地位，所以與那些短距離解決方案要求相比，很容易就認為設計師的工作是簡單的，一條不變的真理就是每個競爭的技術都提供了不同程度的擴展，這些會幫助增強它們的能力，但同時也帶來了更大的設計挑戰(zhàn)。

對于終端用戶來說，選擇“正確”的解決方案通常會歸結為他們所在領域有哪些可用的服務，以及相應的費用，然而如果多個無線運營商和LPWAN提供商都能在同一個區(qū)域提供服務，那么下決定就有些難了，對于物聯網互連領域來講，確定最終的贏家將需要數年的時間。